泉州晋江大桥主塔施工塔吊基础计算书

主塔施工塔吊基础计算书

计    算：

复    核：

项目负责：

总工程师:

中铁大桥局集团二公司工程技术部

二○○五年五月

一、荷载计算

1、塔吊自身荷载：

根据中升公司提供已知条件可计算出基底所承受的荷载：

塔吊最大自由高度45m时，垂直力：N=110T； 水平力：Q=5T；弯矩：M=200T·m；扭矩：T=40T·m；②塔吊最大起升高度140m时，垂直力：N=170T； 水平力：Q=5T；弯矩：M=200T·m；扭矩：T=40T·m；

2、塔吊基础连接件自重荷载：G＝4.5T

3、风荷载对桩产生荷载：

风荷载标准值(根据《公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004》第4.3.7条)：

        Fwh＝k0k1k3WdAwh

Wd=, W0=, Vd=k2k5V10

γ=0.012017e-0.0001Z

式中  Fwh-横桥向风荷载标准值（kN）；

W0-为基本风压(kN/m2),当有可靠风速记录时,

按W0＝V2计算，此处V为设计风速（m/s）；

该桥考虑5级风，风速为：8.0～10.7m/s，

W0＝V2=×10.72=71.56 kN/m2

            Wd-设计基准风压(kN/m2) ；

            Awh-横向迎风面积(m2)，按桥跨结构各部分的实际尺寸计算；

            V10-桥梁所在地区的设计基本风速(m/s)，系按平坦空旷地面，离地面10m高，重现期为100年10min平均最大风速计算确定，该桥桥墩部分考虑5级风，风速8.0～10.7m/s；

            Vd-高度Z处的设计基准风速(m/s)；

            Z-距地面或水面的高度（m）；

            γ-空气重力密度（kN/m3）；

          k0-设计风速重现期换算系数,对于单孔跨径指标为特大桥和大桥的桥梁，k0=1.0，对其他桥梁，k0=0.9；对于施工架设期桥梁k0=0.75；当桥梁位于台风多发地区时，可根据实际情况适度提高k0值；

          k3-地形、地理条件系数，按表4.3.7-1取用，本桥取1.00；

          k5-阵风风速系数，对A、B类地表k5=1.38，对C、D雷地表k5=1.70。A、B、C、D地表类别对应的地表状况见表4.3.7-2，本桥属于A类地形，k5取1.38；

          k2-考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度变化修正系数，可按表4.3.7-3取用；位于山间盆地、谷地或峡谷、山口等特殊场合的桥梁上、下部结构的风速高度变化修正系数k2按B类地表类别取值。本桥属于A类地形，k2取1.08；

          k1-风载阻力系数，见表4.3.7-4～4.3.7-6，本桥取0.5；

          g-重力加速度，g=9.81m/s2。

Vd=k2k5V10=1.08×1.38×10.7=16.0，

γ=0.012017e-0.0001Z=0.012017×e-0.0001×2.7=0.012 kN/m3

Wd===9.8×10-3kN/m2,

W0==6.53×10-3kN/m2, 

Fwh＝k0k1k3WdAwh

=1.0×0.5×1.0×9.8×10-3×2.7×1.2=0.016 kN

即桩身部分的风力：其对桩顶力臂(2.4+0.5)/2=1.45m。

风荷载相对比较小，则忽略不计。

4、流水压力(根据《公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004》第4.3.)：

   作用在桥墩上的流水压力标准值可按下式计算:

      Fw=K·A·γ·v2/2g

   式中   Fw–流水压力标准值(kN);

        γ-水的重力密度(kN/m2);

         V-设计流速(m/s), 该桥v=1.35m/s;

         A-桥墩阻水面积(m2),计算至一般冲刷线处,此桥的为1.2×(12-5.82)=7.42 m2;

         g-重力加速度,g=9.81m/s2;

         K-桥墩形状系数,见表4.3.8。

        Fw=K·A·γ·v2/2g =0.8×7.42×10×1.352/19.62

             =5.52kN

流水压力合力的着力点,假定在设计水位线以下0.3倍水深处,即为0.3×(11.4-2.9)=2.55m。

流水压力也可以忽略不计。

一、桩的计算：

1、单桩反力计算(根据《建筑桩基技术规范》P25)

Ni＝±

n＝4根

打入桩的直径为D=1.2m，内径d=1.18m,

U外=πD＝3.77m,U内=πd=3.71m ；

根据现场地质条件：河床面以下3.7m淤泥层，4.8m亚粘土层，由于亚粘土层下面是花岗岩层，打入桩无法打入，故打入桩入土长度为：3.7+4.8＝8.5m。

单桩竖向极限承载力标准值Quk（根据《建筑桩基技术规范》P31）:

    Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+αpskAp

  式中   u-桩身周长；

         qsik-用静力触探比贯入阻力值估算的桩周第i层土的极限侧阻力标准值；

         li-桩穿越第i层土的厚度；

         α-桩端阻力修正系数；

          psk-桩端附近的静力触探比贯入阻力标准值；

          Ap-桩端面积；

    Ap==＝0.038m2

 根据福建省泉州桥的地质资料得桩侧土极限摩阻力标准值qsik：

        3.7m淤泥层：qsik＝12kPa；

        4.8m亚粘土：qsik＝70kPa；

Quk=3.77×[12×3.7+70×4.8]

＝1434kN＝143.4T（未考虑桩内摩阻）

  桩的抗拔力:

    Vk=∑λiqiskUiLi （根据《建筑桩基技术规范》P45）

=π×1.2×0.7×(12×3.7+70×4.8)

=1004kN＝100.4T

1塔吊最大自由高度45m时，N＝110T，则此时：

钢管桩抵抗水平力Q所产生的垂直荷载： 

∑N＝110＋4.5+3.2＝117.7T

∑M=200T·m；

桩基中各单桩受力验算：

对角方向：

          （上拔力）

2塔吊最大起升高度为140m时，N＝170T，则此时：

∑N＝170＋4.5+3.2＝177.7T

∑M=200T·m；

桩基中各单桩受力验算：

对角方向：

综上1、2，单桩最大承载压力为；受最大上拔力为。均满足要求。

由于水平力Q=5T，则与竖向力的合力与铅垂线的夹角

tgα==0.0455, α=2.60<50,故可不用验算单桩横向承载力。    

2、桩顶纵向水平位移验算(根据《建筑桩基技术规范》P260)

局部冲刷的计算(根据《桥渡设计》教材P125)：

        设计流速：Vp＝1.35m/s。

        桥下一般冲刷后的最大水深：hp=1.2×4.85＝5.82m

        ＝＝2.53>2.5，故hb=0.83KtBt0.6IL1.25v

        hb=0.83×1.0×2.30.6×1.241.25×1.35＝2.42m

        则局部冲刷标高：-2.4-2.42＝-4.82m。

计算桩顶上外力Pi,Qi,Mi及最大冲刷线处桩上外力P0,Q0,M0

       Pi＝1700kN

       Qi＝50kN          Mi＝2000kN

换算到最大冲刷线处：

P0＝1700kN

Q0＝50+0.016+5.52＝55.54kN

M0＝2000+0.016×(4.82+0.5)+5.52×(4.82-2.2-2.79)

＝1998kN

   桩在最大冲刷线处水平位移和转角x0和φ0

   α=0.7538,E=2.1×108kN/m2，I＝5.4×10-3m4

x0=Ax+Bx=×1.27+×0.55

＝1.85mm<10mm（符合规范要求）。

φ0=Aφ+Bφ=-1.45×10-3rad

桩顶纵向水平位移：

      x1=1.93+1.45×10-3×7.12×103＝12.25mm

  水平位移容许值：[Δ]＝0.5＝2.74cm=27.4mm

  符合要求。

  3、单桩整体稳定性

由于钢管桩单桩桩顶最大荷载为，钢管桩的受压稳定性计算按照轴心受压杆件计算。按下式验算：

式中：

N——轴心压力 

——稳定系数

——抗压强度设计值

——受压构件的长细比限值，此处按照《桥钢》规定取150

代入数据：

查表得

则

二、桩顶分配梁的计算：

            塔吊基础连接布置图

塔吊底座产生的弯距为

      吊臂垂直（平行）分配梁工作：

（一边梁受压，一边受拉）

吊臂延对角线方向工作：

（一端受压，一边端拉）

1、分配梁G2的受力计算：

G2采用2I56a的型钢,下面对G2进行承载力验算：

型钢的横截面对中性轴的惯性矩:

As=2×13538＝27076 mm2

Ix=655760000×2=1790467mm4

       Wz=17904673÷280=4684000mm3 

考虑塔吊对基础产生最不利荷载组合：当塔吊起升高度140m时，总重：170T   弯距：200T.m   扭矩：40T.m

工况1：当塔臂以垂直G2梁工作产生弯距时，G2所受的力如下图所示：

（支端反力）

G2’所受的力如下图所示：

（受拉）

工况2：当塔臂平行G2梁工作产生弯距时，G2所受的力如下图所示：

（支端反力）（支端反力）

G2’所受的力与G2受力一致，即：

      （支端反力）（支端反力）

工况3：当塔臂以角线方向工作产生弯距时，G2一端受拉，一端受压。   

 则G2受力图如下：

（支端反力）   （受拉）

受力图如下：

（支端反力）   （支端反力）

综上对三个工况分析G2受最大弯距和最大剪力分别为：

（支端反力）

均满足受力要求.

   2、分配梁G1的受力计算：

G1采用I56a的型钢,下面对G1进行承载力验算：

型钢的横截面对中性轴的惯性矩:

As=13538 mm2

Ix=655760000 mm4

           Wz=2342000mm3    

通过对G2梁的分析， G1、G1’所受荷载如下：

工况1：

工况2：

工况3：

综上分析G1受最大弯距和最大剪力分别为：

（支端反力）

均满足要求。

三、焊缝验算：

1、塔吊基础桩顶焊缝验算(《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》P21)：

上述表格可知，当工况3时，G1’产生最大上拔力，计算简图如下：

此时受最大上拔力，当塔吊在最大自由高度45m时产生的上拔力为10.67T＞8.7T，则焊缝验算时以10.67T计算。

塔吊基础桩顶焊缝验算，主要是受拉一端的焊缝强度的检算：

焊缝采用直焊缝连接,焊缝受拉侧所收的拉力是由塔吊对基础所产生的反力中的弯矩产生的, ,焊缝高度为hf=8mm,由于G2与G1连接处部分在钢管桩口，则焊缝宽度lw=100+50×2+166=366mm,焊缝拉应力:

按三级质量,直缝能满足受力要求。

  2、G1与G2焊接处焊缝验算

由上述计算可知，G1与G2焊接处所受到的最大剪力与塔吊的最大扭矩共同作用时为最不利荷载组合

    按三级质量，直缝能满足受力要求。

四、桩顶局部应力验算

   桩顶受最不利荷载为

   则桩顶局部压应力为

满足要求。